Дослідники з більш як десяти лабораторій оголосили про найточніше вимірювання часу життя вільного нейтрона — він складає 877,75 секунди, що трохи менше п'ятнадцяти хвилин. Фізики провели три сліпих експерименти з майже як 40 мільйонами впійманих у гравітаційно-магнітну пастку ультрахолодних нейтронів. Конструкція пастки дала змогу зберігати частинки від 20 секунд до 25 хвилин, а зібраний вченими набір даних за два роки обійшов попередні експерименти у точності у понад як 2,25 раза. Приняті до публікації у The Physical Review Letter результати допоможуть досліджувати взаємодії частинок поза Стандартною моделлю. Препринт статті доступний на arXiv.
Нейтронний детектор у лабораторії Los Alamos National Lab / Michael Pierce
Як звільнити нейтрон?
Зазвичай нейтрони — електрично нейтральні елементарні частинки — разом з протонами пов'язані у атомному ядрі та поводяться себе у ньому цілком стабільно. Але шляхом ядерних реакцій, процесів у діапазоні мегаелектронвольтів, їх можна звільнити з атомного ядра. Так він перетворюється на нестабільну частинку з найбільшим строком життя — майже 15 хвилин. Затим слабка взаємодія змушує його розпадатися на протон, електрон та антинейтрино. Фактично нейтрон є єдиною довгоживучою масивною частинкою з нульовим зарядом (якщо знехтувати малою масою нейтрино). Але це ускладнює поводження з ними, оскільки їх нелегко прискорити, направити або сфокусувати за допомогою електричних полів. Після виявлення нейтрони зникають, на відміну від заряджених частинок, які залишають по собі слід іонізації, який ми можемо виявити без руйнування. Розпад нейтрона є найпростішим прикладом бета-розпаду, час якого фізики постійно перевимірюють як один з важливих для фізики елементарних частинок, Стандартної моделі та космології параметр.
Діаграма Фейнмана для бета-розпаду нейтрона на протон, електрон і антинейтрино за участі віртуального W-бозона/ Joel Holdsworth / Wikimedia Commons
Навіщо перевимірювати час його життя?
Насправді експериментальна фізика покликана не лише перевіряти передбачення теоретичної, розробляти нові експерименти та «підкидати» теоретикам нові екзотичні явища на пояснення. З розвитком технологій та експериментальних можливостей, фізики взялися перевіряти прості універсальні параметри, які використовуються для описання найрізноманітніших явищ. Так виникають вимірювальні «перегони», де експерименти змагаються один з одним у точності. І тільки-но фізикам вдалося звільнити нейтрон з ядра, вони почали вираховувати час його життя.
Розпад нейтрона пов'язаний з переворотом нижнього кварка у верхній, а отже може допомогти пошукати вихід за рамки Стандартної моделі. Так цей перехід існує у межах матриця Кабіббо — Кобаясі — Масукаві (СКМ), яка визначає слабкі взаємодії, що змінюють аромат кварка. Порушення унітарності цієї матриці, яке можна буде зловити у розпаді нейтрона, означало б вихід за межі Стандартної моделі з її трьома поколіннями кварків і лептонів. Через тісний зв'язок між фізикою елементарних частинок і космологією ці дослідження також дозволять вивчити реакції «перших трьох хвилин» з народження Всесвіту і зоряний нуклеосинтез. Крім того, подібні перевимірювання допоможуть дослідити існування взаємодій між частинками на шкалі енергій вище десяти тераелектронвольтів, які не можна побачити на коллайдерах.
Як вимірюють час життя частинки?
З 1950-х років опубліковані значення часу життя нейтронів продовжували знижуватися з 40 до 18 хвилин. За кілька десятиліть оцінки зменшилися в 200 разів і лише у 2010 вчені зупинилися на позначці у 885,7 секунди (приблизно 15 хвилин) з похибкою в 1-2 відсотки. Але на цьому перегони за точністю не закінчилися і тепер лежать у площині зменшення похибки. Час життя нейтрона можна виміряти двома принципово різними методами: з холодними нейтронами «в пучку» або з ультрахолодними нейтронами «в пастці». Перший пропонує вимірювати швидкість розпаду нейтрона всередині нейтронного пучка. Так необхідно знати точну кількість нейтронів у пучку, але вимірюється не зменшення їхньої кількості, а радіоактивність пучка — так вдається порахувати кількість актів розпаду за час набору статистики. Другий спосіб є радше способом зберігання, який заснований на числі нейтронів, що потрапили у пастку, відносно до нейтронів, яким вдалося «вижити» до певної точки у часі.
Власне різниця між цими методами і провокує «загадку часу життя нейтрона», адже вказує або на існування нової фізики, або наявність неадекватно оцінених або невпізнаних систематичних чи статистичних ефектів в будь-якому з методів. Так нейтрони можуть розпадатися на частинки темної матерії (але варто сказати, що це не зовсім влаштовує наші уявлення про маркери темної матерії), а можуть бути простою помилкою. Втім, другий метод має одну вагому перевагу — для нього не потрібно знати абсолютне значення числа нейтронів і швидкості їхнього розпаду, що дає змогу уникнути більшості систематичних похибок. Його і обрали фізики для свого експерименту, однак із деякими доповненнями.
Скільки прожив нейтрон?
Відтак, вони провели по три сліпих експерименти та окремо оцінювали систематичні ефекти і потенційні статистичні похибки. В кінцевому підсумку кілька способів усереднення трьох аналізів дали результат із загальною похибкою 0,039 відсотка — в 2,25 рази точніше всіх попередніх. Гравітаційно-магнітна пастка за допомогою майже чотирьох тисяч магнітів втримувала 38x10⁶ультрахолодних вільних нейтронів від 20 до 1550 секунд. Затим з неї фізики підраховували залишені «живі» нейтрони кожні 210 секунд. Так вони отримали результат у 877,75 секунди із статистичною похибкою у 0,28 та систематичною у 0,22.
Як ми вже сказали, для кращого розуміння Всесвіту, різними групами дослідників і різними експериментальними методами постійно проводяться різні перевимірювання. Наприклад, нещодавно жертвою перерахунків став зарядовий радіус ядра ізотопу гелію, де нові результати виявилися у п’ять разів точнішими за попередні, що неабияк свідчить на користь покращення експериментальних методів. Також і протон наблизився до розв'язання «загадки свого радіуса» — фізики знову його зменшили, причому результати їхнього експерименту вперше збіглися з іншими.